太陽能智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嚴(yán)海榮+柳東云+宇陽麗+龍期勇+吳玲玲

【摘 要】太陽能是重要的新能源。論文設(shè)計(jì)了一套將太陽光傳導(dǎo)到屋內(nèi)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、有效利用太陽能的智能照明系統(tǒng)。系統(tǒng)利用收集組件收集太陽光，通過隨動裝置和光傳導(dǎo)組件將太陽光傳導(dǎo)到屋內(nèi)，達(dá)到節(jié)能的目的。

【Abstract】Solar energy is an important new energy.The paper designs a set of intelligent lighting system which can transmit solar energy to the house and realize energy saving and emission reduction and effectively utilize solar energy.The system collects solar light by collecting components， and transfers the sunlight to the house through the servo device and the light transmitting component， so as to achieve the purpose of energy saving.

【關(guān)鍵詞】太陽能；光學(xué)仿真；隨動

【Keywords】solar energy； optical simulation； follow-up

【中圖分類號】TM923.34 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）09-0182-02

1 引言

作為新能源之一的太陽能，其與傳統(tǒng)能源相比較具有四大優(yōu)勢：儲量巨大、應(yīng)用便利、供應(yīng)持久、清潔無害。中國地區(qū)的太陽能資源豐富，且開發(fā)利用前景也較為廣闊[1]。

本文設(shè)計(jì)了一套基于太陽能光傳導(dǎo)屋內(nèi)的系統(tǒng)，利用收集組件收集太陽光，通過隨動裝置和光傳導(dǎo)組件將太陽光傳導(dǎo)到屋內(nèi)，達(dá)到節(jié)能的目的。

2 智能照明系統(tǒng)

2.1 智能照明系統(tǒng)組成及工作原理

如圖1所示，太陽光通過匯聚組件將光匯聚于中心小區(qū)域處，進(jìn)入小區(qū)域的光經(jīng)過導(dǎo)光光路進(jìn)入屋內(nèi)，這樣實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。為了保證較強(qiáng)的光進(jìn)入屋內(nèi)，通過隨動系統(tǒng)帶動光匯聚組件跟隨太陽轉(zhuǎn)動，最大可能的利用太陽光。

系統(tǒng)由光路系統(tǒng)和控制電路組成。光學(xué)系統(tǒng)包括太陽光匯聚組件和太陽光導(dǎo)光組件。太陽隨動系統(tǒng)控制電路通過判斷太陽的位置，驅(qū)動電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度[2]。

2.2 控制電路組成及工作原理

電路設(shè)計(jì)總體設(shè)框圖如圖2所示，由主控制器（MCU）、光強(qiáng)探測模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊構(gòu)成。

本系統(tǒng)主要包括硬件設(shè)計(jì)和軟件處理兩個部分：

硬件部分：首先整體應(yīng)用了雙軸結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)可以在水平角方向和高度角方向自由移動，達(dá)到全方位追蹤的目的。系統(tǒng)總體由信號采集部分、信號計(jì)算處理部分和調(diào)整角度轉(zhuǎn)動的執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。傳感器把檢測到的信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換電路處理發(fā)送到MCU部分，再由MCU處理后將得到的信號傳給電機(jī)的驅(qū)動電路，從而控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，以達(dá)到跟蹤太陽光的目的。

軟件部分：將傳感器送到MCU的四個不同的電壓值，分成兩組并且做差得到兩個差值，用這兩個差值分別控制兩個步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，當(dāng)差值等于零或者差值在某一范圍內(nèi)時，控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

綜上所述，本系統(tǒng)具體可實(shí)施方案是：當(dāng)光照到傳感器上，使光信號轉(zhuǎn)化成電信號再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后得到電壓信號，電壓信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路后得到數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號輸入MCU中經(jīng)計(jì)算處理后得到驅(qū)動芯片所需的脈沖信號，最終由驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動從而使系統(tǒng)的感光面與太陽光保持垂直狀態(tài)。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 反射式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

反射式結(jié)構(gòu)是指利用反射裝置將太陽光匯聚，然后運(yùn)用光纖將其導(dǎo)入室內(nèi)進(jìn)行照明。在該結(jié)構(gòu)的聚光環(huán)節(jié)我們采用了聚光效果好的拋物面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)入光線環(huán)節(jié)我們采用傳輸損耗低的亞克力光纖。為了更加真實(shí)的反映導(dǎo)光效果，我們引入了接受面。同時，加入了點(diǎn)光源（點(diǎn)光源出射光平行且可根據(jù)導(dǎo)光結(jié)構(gòu)來設(shè)置大小）來仿真太陽光源。

2.3.2 透射式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

透射式結(jié)構(gòu)是指利用透射裝置將太陽光匯聚，然后運(yùn)用光纖將其導(dǎo)入室內(nèi)進(jìn)行照明。

在該結(jié)構(gòu)的聚光環(huán)節(jié)我們采用了聚光效果好的菲涅爾透鏡，導(dǎo)入光線環(huán)節(jié)我們采用傳輸損耗低的亞克力光纖。和反射式結(jié)構(gòu)類似，為了更加真實(shí)的反映導(dǎo)光效果，我們引入了接受面。同時，加入了點(diǎn)光源（點(diǎn)光源出射光平行且可根據(jù)導(dǎo)光結(jié)構(gòu)來設(shè)置大小）來仿真太陽光源。

菲涅爾透鏡作為透射式系統(tǒng)的核心部分，其功能和特性比起同樣有聚光效果的凸透鏡更加優(yōu)良。

2.4 智能照明系統(tǒng)光學(xué)性能仿真

太陽光收集組件選用透射式與反射式光學(xué)系統(tǒng)，太陽光導(dǎo)入系統(tǒng)采用菲涅爾透鏡、反光杯、亞克力光纖作為聚光和導(dǎo)光材料，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和表2所示。利用TracePro軟件仿真太陽光光路，接收面的照度分布如圖3所示。

利用TracePro軟件仿真太陽光光路，接收面的照度分布如圖4所示。

由反射式照度圖分析可知，總的光通量為5.2599W，光通量與發(fā)射通量的比值為0.86522，即在所照射的太陽光中，有86.522%的光被匯聚到了接收面[3]。

由透射式照度圖分析可知，總的光通量為2276.8W，光通量與發(fā)射通量的比值為0.86522，即在所照射的太陽光中，有84.014%的光被匯聚到了接收面。

我們通過運(yùn)用軟件TracePro對所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，并且加入光源對其進(jìn)行光學(xué)仿真。根據(jù)仿真的最終結(jié)果可知，相比于反射式結(jié)構(gòu)，透射式效果更好，使用更加方便。經(jīng)分析，在投射式結(jié)構(gòu)中7.29W的光經(jīng)過系統(tǒng)聚集到了接收面，而選用的光源功率為10W，因此本系統(tǒng)收集到了72.9%的太陽光，能量利用率較高。

3 結(jié)論

本課題設(shè)計(jì)的太陽能智能照明系統(tǒng)導(dǎo)入太陽光進(jìn)行照明，綠色環(huán)保，做到了節(jié)能減排。其中的太陽光導(dǎo)入系統(tǒng)采用的這些材料，經(jīng)濟(jì)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，性價比高

【參考文獻(xiàn)】

【1】岑幻霞.太陽能利用[M].北京：北學(xué)工業(yè)版社，2005.

【2】魏光譜.太陽能與陽光經(jīng)濟(jì)[J].上海電力，2008（4）：337-342.

【3】袁志國.一種太陽能自動跟蹤裝置的設(shè)計(jì)[J].自動化儀表，2007（02）：34-37.endprint